Электромеханическая трансмиссия. Электромеханическая трансмиссия


БТВТ - Современные танки

 

М.Л. Миллер

Mechanical Assistance for Electric Drives

AMRC / Technion – Israel

Institute of Technology, Haifa, Israel

Advanced Development Corp.

Tel Aviv, Israel

Краткий обзор

Требования по силе тяги для гусеничной боевой машины влечет за собой усложнение конструкции электропривода. Физические требования к электроприводу и системе охлаждения в основном продиктованы необходимостью обеспечить максимальные требования по тактико-техническим данным, таким как управление поворотом, управление на высокой скорости, и необходимостью выработать тяговое усилие равное 90% от полного веса гусеничной машины (GVW) одной стороной. Эти требования, каждое из которых легко удовлетворяется в обыкновенных системах привода, сложно выполнить в электроустройствах и при частых конфликтных ситуациях с трансформируемостью означенной конструкции системы электропривода.

В этом докладе анализируются некоторые методы, которые можно использовать для минимизации электротехнических требований к системе привода в разумной комбинации лучших свойств систем электрического и механического привода.

 

1. Введение

Классическое рассмотрение гусеничной боевой машины с полностью электрическим приводом допускает, что компоненты электропривода будут соответствовать каждому из требований по механическим тактико-техническим данным с двумя приводными электродвигателями, спаренными непосредственно с ведущими колесами. Требование обеспечения работы мощных приборов означает, что двигатель должен быть способен работать на полной мощности, независимо от скорости машины. Это приводит к архитектуре системы серийного гибкого привода, как показано на рис. 1.

 

Рис. 1. Система классического серийного гибридного привода

 

Механическая энергия двигателя преобразуется в электроэнергию генератором. Эта электроэнергия соответственно кондиционируется и добавляется в шину питания тока. Прибор накопления энергии, обычно это аккумулятор, но также это может быть и маховик, добавляет или забирает энергию из шины питания, в зависимости от мгновенной максимальной нагрузки и обеспечения энергией.

Потребителями электроэнергии являются система привода и несколько других высокомощных приборов, таких как электродинамическая система пушки, активная система защиты и т.д.

Эта блок-схема привлекает своей простотой, но достигнуть преимущества возможно лишь с другими конструктивными техническими решениями.

·         Нет возможности передачи мощности с отстающей гусеницы на забегающую. Если вся тяга сосредоточена на забегающем борту, то двигатель отстающего борта в свободном режиме не увеличивает силу тяги. Половина мощности установленного привода не может быть использована для передвижения машины.

·         В серийном гибриде нельзя перенести энергию высокой эффективности питания двигателя непосредственно на колеса машины. Вся энергия привода должна пройти через многократные преобразования из механической в электрическую и обратно в механическую энергию.

·         Нельзя перенести высокую мощность поворота с внутренней части гусеницы на внешнюю. С тех пор как энергия поворота должна проходить через два двигателя и два регулятора, потеря энергии снижает эффективность управления.

Все эти особенности достигнуты обычными трансмиссиями. Вся тяговая мощность привода может подаваться с одной стороны машины. Существует непосредственное механическое соединение двигателя с ведущими звездочками для прочной части нормально функционирующего привода. Энергия для поворота может переноситься с отстающей части гусеницы на забегающую через механический привод и валы.

Будет показано, что рациональный выбор конструкции трансмиссии позволит достичь эти преимущества в системе электропривода.

 

2. Суть проблемы

Требования к силе тяги. Гусеничная машина

Рис.2. Требование по силе тяги к гусеничной боевой машине

 

Основной проблемой движения гусеничной боевой машины является обеспечение энергией поворота и преодоления различных условий дороги. Эти требования суммированы на рисунке 2, где показано нормализованное тяговое усилие обыкновенной гусеничной боевой машины как функция нормализованной скорости машины.

Машина снабжена приводом таким образом, что может вырабатывать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины при минимальной скорости. Максимальная скорость машины определяется пересечением линии уровня силы сопротивления со стороны и кривой тягового усилия. В этой точке двигатель работает с максимальной мощностью.

Очень высокое тяговое усилие при низких скоростях достигается, конечно, при помощи многоскоростной трансмиссии и гидротрансформатора. Типичная трансмиссия для тяжелого основного боевого танка (МВТ) может иметь диапазон от 4,5:1 до 5:1 с дополнительным диапазоном гидротрансформатора 2,5-3:1. При надлежащем согласовании двигателя и гидротрансформатора, максимальное тяговое усилие в силовом режиме может быть в 12-15 раз выше, чем тяговое усилие при максимальной скорости машины. Следовательно, обыкновенная трансмиссия легко может обеспечить тяговое усилие равное 90% от полного веса машины. Примечательно, что максимальный уклон, который в основном определен как 60%, ниже этого требования.

Однако существует число специфических требований к гусеничным боевым машинам, которое вызывает практически неразрешимую проблему для классического электропривода (рис.1).

Основной проблемой для гусеничной боевой машины является требование высокоэффективного управления. В то время как требование по силе тяги для прямолинейного движения представлено кривой постоянного питания, то требование для начала поворота выражено кривой постоянного крутящего момента, как видно на рисунке 2.

Для того, чтобы начать поворот, трансмиссия машины должна выработать значительный крутящий момент, в результате чего изменяется скорость перематывания. Если трансмиссия не сможет сделать этого на определенной скорости, то машина не выполнит поворот на этой скорости.

Как только начинается поворот, внешнюю часть гусеницы нужно обеспечить очень высокой энергией, которая ускоряется и движется быстрее, чем центр тяжести машины. В высокодинамичном повороте энергия, которая должна обеспечивать внешнюю часть гусеницы, может достигать 1300-1500 кВт или более. Если трансмиссия не сможет передать такую энергию на внешнюю часть гусеницы, то машина будет терять скорость движения.

 

3. Полностью электрическая тяга

Успехи в современных высокоэффективных электродвигателях и регуляторах сделали возможным скомпоновать машину так, чтобы получить 90% требований по тяговому усилию (ТЕ) и еще достичь желаемой скорости для машины. Каждый из приводных электродвигателей на рисунке 1 вырабатывает тяговое усилие равное 45% от полного веса машины. Это, в общем, показывает результаты в конструкции системы, где компоненты имеют такие размеры, чтобы ответить максимальному требованию по тяговому усилию на низкой скорости.

Если идти другим путем, то тяговый двигатель, который может производить очень высокий крутящий момент на низкой скорости и все же работает при высокой скорости, имеет запас мощности для поворота. Требование к "мощности поворота" для шестидесятитонной машины, способной развивать скорость 70 км/ч и в то же время способной выработать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины, составляет порядка 10 МВт.

В экстремальных условиях крутого склона или трудных условиях грязи или льда, весь вес машины может быть на одной гусенице. С тех пор как не стало прямого пути переместить крутящий момент, производимый одним из моторов, на ведущее колесо на другой стороне, один двигатель сам должен быть способен вырабатывать тяговое усилие 90% от полного веса машины. Другими словами, машина должна быть оснащена двумя двигателями и регуляторами, каждый из которых способен производить тяговое усилие равное 90% от полного веса машины. Такая машина имела бы тогда мощность поворота в 20 МВт.

Подобная трансмиссия, возможно, могла бы быть создана при использовании, например, двигателей с очень высоким крутящим моментом, произведенных фирмой "Каман Электромагнетикс". Эти двигатели способны вырабатывать 2700 Н×м при малой скорости и могут достичь 3600 об/мин. Мощность при повороте этих двигателей - 1000 кВт, а номинальная - 670 кВт. Учитывая, что шестидесятитонная машина передвигается со скоростью 70 км/ч , крутящий момент, требуемый на вале электродвигателя для обеспечения тягового усилия 530 кН с каждой стороны, должен быть около 29000 Н×м. Следовательно, на каждую сторону машины нужно десять таких двигателей.

Рис. 3. Электрическое решение для выработки тягового усилия (ТЕ), равного 90% от полного веса машины, на каждую сторону

 

Данный пример предназначен для иллюстрации сложности разрешения одного из решающих тяговых требований к гусеничной боевой машине с классической технологией.

 

4. Полностью электрическое управление

Чтобы проанализировать, что происходит во время маневра управления на высокой скорости, рассмотрен в качестве примера танк весом 60 тонн. Машина передвигается на скорости 32 км/ч и радиус ее поворота 18 м . Используя метод Огоркевича, мощность, которая передается на забегающую гусеницу, около 1300 кВт, а мощность, поступающая с отстающей гусеницы - около 600 кВт. Чтобы устранить противоречие компонентов, двигатели и регуляторы предположительно должны иметь производительность 95% во всех условиях работы.

Рис. 4. Потоки энергии для полностью электрического управления

 

Из 575 кВт механической энергии, которая передается с отстающей гусеницы на внутренний электродвигатель, около 520 кВт превращаются в электрическую энергию на выходе из внутреннего регулятора. Чтобы обеспечить мощность 1320 кВт на забегающей гусенице, около 1530 кВт должно находиться на входе во внешний регулятор. Поскольку с отстающей гусеницы получены только 520 кВт, то первичный двигатель должен выработать 1000 кВт электроэнергии. Так как это больше, чем может обеспечить двигатель мощностью 1500 л .с., даже работающий на полную мощность, машина не может выполнить поворот, радиусом 18 м ., без торможения.

Кроме того, общее количество электроэнергии, которое выработано внутренними и внешними двигателями и регуляторами, почти 2000 кВт. Система охлаждения должна быть сконструирована для удаления данного количества тепла на время, в течение которого длится маневр управления.

На самом деле в этом примере эффективность компонентов не была достигнута. С действительными компонентами количество энергии, которую должен обеспечивать первичный двигатель, и количество тепла, которое должно быть удалено, могут быть значительно выше.

 

5. Системы механического управления

Большинство трансмиссий для гусеничных боевых машин оснащены двойной дифференциальной системой управления, которая эффективно разделяет путь энергии управления от тяги или привода. Направление энергии для тяги оптимизировано для тяги машины, а путь энергии для управления оптимизирован для управления. Эти системы базируются на использовании сателлитов (в планетарных зубчатых передачах) для сочетания тяги и скоростей управления и крутящих моментов.

Сателлит может быть рассмотрен как шестиполюсник, как показано на рисунке 5; три ветви многополюсника – это водило планетарной передачи (С), солнечная шестерня (S) и эпициклическая шестерня (R).

 

Рис. 5. Планетарный ряд где,

W –частота вращения вала, а

Т – крутящий момент на валу

 

Планетарный ряд полностью определяется отношением Z диаметров эпициклического колеса ÆS:

В классическом виде частоты вращения валов находятся в соотношении:

таким образом, чтобы найти частоту вращения третьего вала, нужно знать частоты вращения двух других звеньев.

Неучитываемые потери и энергия накапливались в планетарном ряде, полезная мощность в ряду равна нулю:

 

Поскольку эти уравнения верны для всех частот вращения и крутящих моментов,  следует, что:

Следовательно, если известен один из крутящих моментов, то крутящие моменты на двух других валах тоже известны.

Хотя данный анализ направлен на классический планетарный ряд, состоящий из эпициклической и солнечной шестерен, он действителен для любого типа планетарного ряда. Каждый тип будет иметь свое собственное определение отношения Z и свое собственное отношение частот, определяемые геометрией планетарного ряда.

В трансмиссии с двойным дифференциальным управлением используют планетарный ряд, чтобы отделить энергию тяги и управления, как показано на рисунке 6.

 

Рис. 6. Двойная дифференциальная система управления

 

Тяговая энергия из первичного двигателя поставляется на главный передаточный вал, соединяя выходы кольцевых зубчатых колес, в то время как водила планетарной передачи приводят в движение левый и правый передаточный вал. Солнечные зубчатые колеса планетарной системы управления соединены друг с другом через вал рулевой сошки управления. Для езды прямо вал рулевой сошки неподвижен, а частота вращения и крутящий момент на обоих валах выхода одинакова.

Чтобы начать поворот, вал  рулевой сошки приводится в движение приводом управления таким образом, что вырабатывается достаточный крутящий момент на забегающей и отстающей гусеницах, для того чтобы гусеницы изменили скорости движения. С тех пор, как вал управления на всех скоростях машины при движении прямо неподвижен, а вал рулевой сошки должен только распределять крутящие моменты и скорости, передача между приводом управления и солнечными зубчатыми колесами может быть такой, что гусеницы смогут изменять скорости вращения при любой скорости машины, даже с рулевым приводным электродвигателем умеренного размера.

Как только начинается поворот, энергия с отстающей гусеницы передается через главный передаточный вал и через вал рулевой сошки управления, с приводом управления, отвечающим только за потери в системе.

С тех пор, как эти потери стали по своей сути механическими, коэффициент передачи энергии с отстающей гусеницы на забегающую в основном достаточно высокий.

 

6. Электрическое управление с механической рекуперацией

Тот же случай, что и показанный в четвертом разделе для привода с полностью электрическим управлением, будет проанализирован, когда в системе электропривода используется трансмиссия с механическим управлением.

Рис. 7. Энергия управления в электромеханической системе

 

Предполагается, что в электромеханической системе на рисунке 7 приводной электродвигатель обеспечивает энергией главный передаточный вал, а двигатель управления обеспечивает энергией вал рулевой сошки.

Итак, 600 кВт энергии поставляется от отстающей гусеницы, а 1320 кВт должно уйти на забегающую гусеницу.

Около 800 кВт энергии должно вырабатываться приводным двигателем и двигателем управления. В полностью электрической системе (согласно четвертому разделу) 2000 кВт электроэнергии должны быть на внутреннем и внешнем приводных электродвигателях.

 

7. Многоскоростная передача для снижения требований к энергии двигателя при повороте

Важное преимущество трансмиссии с механическим управлением заключается в том, что энергия привода передается на один единственный вал - главный передаточный вал (рис. 6). Это позволяет фактически реализовать многоскоростную передачу между приводным электродвигателем и главным передаточным валом. Переключение трансмиссии может быть выполнено без потерь энергии, если способ переключения будет таким же, как и в обыкновенной автоматической трансмиссии. Логика переключения может быть даже улучшена, потому что скорость и крутящий момент могут контролироваться во время переключения.

Этот многоскоростной эффект может быть выполнен в обычной коробке передач, состоящей из обыкновенного планетарного блока шестерен, тормозов и сцепных муфт.

Преимущества использования многоскоростной трансмиссии для снижения требований к мощности при повороте обозначены ниже, на рисунке 8.

Рис. 8. Многоскоростной блок и трансмиссия с механическим управлением снижают требование к поворотной энергии двигателя

 

Трансмиссия должна передавать 530 кН на одну сторону машины, приводные электродвигатели используются такие же, как и в третьем разделе. Преимущества многоскоростной трансмиссии становятся очевидными. Если вал рулевой сошки неподвижен, то весь крутящий момент привода может быть перенесен на одну сторону.

Солнечные зубчатые колеса обеих планетарных систем остановлены до вращения, обеспечивая, таким образом, необходимый крутящий момент для планетарных рядов. В примере на рисунке 8 левая гусеница не обеспечивает тяги, весь крутящий момент привода передается на правую гусеницу.

Вдобавок к этому, коробка передач может иметь соотношение первой передачи, например 5:1, позволяя, таким образом, двум приводным двигателям обеспечивать такой же крутящий момент, как и десять двигателей из примера в третьем разделе. Чистым результатом является то, что два приводных электродвигателя с мощностью при повороте 2000 кВт могут обеспечивать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины на одной ее стороне. В устойчивом режиме мощность этих двух двигателей 1240 кВт, которая примерно равна по величине максимальной мощности первичного двигателя.

Следовательно, использование трансмиссии с механическим управлением и коробкой передач позволяет выбрать приводные двигатели и регуляторы на основе количества мощности, вырабатываемом в номинальном режиме, необходимом для машины. В полностью электрической системе привода приводные электродвигатели, регуляторы и система охлаждения должны выбираться на основе условий максимальной тяги, которые на практике встречаются редко.

 

Точные характеристики приводного электродвигателя зависят от определенных требований в управлении машиной. В целом приводной электродвигатель поворота должен вырабатывать столько же энергии, сколько и гидростатический механизм поворота в трансмиссии обычного танка. Грубая оценка требуемой мощности для такого механизма поворота - приблизительно 1/3 мощности приводного электродвигателя.

 

 

8. Преимущества в действиях двигателя и регулятора

Рис. 9. Крутящий момент двигателя как функция скорости машины

 

Использование коробки передач также приводит к существенному снижению максимального крутящего момента в двигателе и электрического тока в регуляторе, без какого-либо снижения крутящего момента на выходе. В примере, показанном на рисунке 9, рассмотрена система привода для 15-тонной гусеничной машины, у которой мощность системы электропривода – 200 кВт.

Если используется трансмиссия с одной передачей, требуется двигатель, вырабатывающий почти 1400 Н·м с сопутствующим максимально высоким электрическим током, при минимальной скорости движения и большим сопротивлением движению. Использование коробки с тремя передачами позволяет использовать двигатель с максимальным крутящими моментом 330 Н·м.

Кроме того, двигатель и регулятор работают в более благоприятных условиях с мультиплексной коробкой передач, особенно на низкой скорости и при высоком крутящем моменте. Например, при скорости 5 км/ч двигатель в системе с одной передачей работает на скорости 8% от номинальной скорости. В системе, имеющей коробку передач, двигатель эксплуатируется на скорости 60% от номинальной.

Чистый результат – это существенно меньшее потребление энергии при том же максимальном тяговом усилии.

 

9. Другие гибридные конфигурации

Как было упомянуто в шестом разделе, трансмиссия с механическим управлением поставляет всю энергию привода на один вал. При возможности установки коробки передач можно рассмотреть систему как альтернативу гибридной архитектуры.

Классический серийный гибридный привод (рис.1), где двигатель может развить полную мощность при любой скорости, страдает тем недостатком, что вся энергия привода должна передаваться электрически. Он проявляется в низкой эффективности на средних и больших скоростях. Это особенно верно, если сравнивать с обыкновенной системой привода, когда преобразователь крутящего момента находится в блокировке, а трансмиссия на третьей из четырех передач.

Этот недостаток можно устранить при использовании двойной системы, где механический и электрический каналы выходят от приводного двигателя на ведущие колеса.

Рис. 10. Гибридная трансмиссия с двумя каналами

 

Комбинация: двигатель/генератор, планетарный ряд и двигатель из  электрической непрерывной переменной трансмиссии. В то время, как скорость сдерживает компоненты, двигатель свободно работает на любой необходимой скорости независимо от скорости машины, вырабатывая полную мощность, когда требуется. Энергия двигателя, поставляемая из планетарного ряда на блок управления трансмиссии, передается посредством чисто механических приспособлений. Только часть энергии двигателя, проходящая через канал двигатель/генератор, была подвержена электрическим потерям.

При оптимальном выборе режима работы двигателя трансмиссия может быть оптимизирована для максимальной эффективности так, чтобы вся или почти вся энергия передавалась через механический канал.

Необходимо отметить, что система на рисунке представлена в форме блок-схемы. Этот тип системы, с соответствующими усовершенствованиями для оптимизации размеров электрических компонентов, может быть собран в компактную форму, пригодную для установки на боевую машину.

 

10. Выводы

В настоящее время оказывается, что трансмиссия, содержащая в себе лучшие свойства электрической и механической систем, будет более эффективной, будет иметь более высокие тактико-технические данные, потребуется меньшая система охлаждения и будет более пригодной, чтобы отвечать реальным требованиям по функционированию, чем просто система электрического привода.

Не имеет значения, что является конечными архитектурными характеристиками или характеристиками тактико-технических данных электрической трансмиссии, такая система может быть  рассмотрена только для сферы эксплуатации,                                     если она может быть собрана, установлена и реализована также, как обыкновенная трансмиссия.

Система электропривода в любом случае будет установлена в непосредственной близости с ведущими колесами привода и займет все пространство между ними. Поэтому есть смысл пользоваться всеми преимуществами, которые может дать электромеханическая трансмиссия.

www.btvt.narod.ru

Трансмиссии Tiger (P) - Demenz macht frei

Какое-то время назад я написал статью с описанием двух вариантов трансмиссий Tiger P и Tiger P2. Из-за технических ограничений вики-страниц Вмыла пришлось разделить статью на две части, что неудобно. Я решил сделать её копию, объединив части в одну статью. Тем более и повод подходящий - день рождения Фердинанда Порше. Посмотрим на начинку его детища.

КДПВ - первый построенный Tiger (P) везут на показ к 20 апреля 1942 года:

Революция?Первое, с чем сталкиваешься в процессе изучения истории VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) - это утверждения о якобы их революционности и уникальности. Вот каноничный пример:

Порше придумал революционную конструкцию. совершенно не типичную для танка. На VK3001(P) стояла электромеханическая трансмиссия, никогда ранее не использовавшаяся на сухопутной технике, зато обычная для подводных лодок.Источник

Автора данной статьи придётся огорчить. То, что VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) существенно отличались от других немецких танков ещё не делает их революционными. Точно также они не становятся революционными от того, что автор безграмотен и не знает о других более ранних танках с электромеханическими трансмиссиями.

В действительности Фердинанд Порше создал автомобиль с электромеханической трансмиссией ещё в 1900 году. Что касается танков, то первыми электромеханчиескую трансмиссию на танке Сен-Шамон (Char Saint-Chamond) применили в годы Первой Мировой войны французы. Они же создали первый в мире танк Char 2C с двумя двигателями внутреннего сгорания, каждый из которых работал на свой генератор. Одним словом, с точки зрения устройства трансмиссии VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) не были революцией для мирового танкостроения.

Фердинанд Порше и Отто Цадник (справа)

Если углубиться в эту тему, то всплывают не менее интересные подробности. Вместе с Фердинандом Порше работал талантливый инженер Отто Цадник (Otto Zadnik), перешедший к нему в конструкторское бюро из фирмы Siemens. Именно Цадник разработал схемы трансмиссий для Tiger (P) и Maus. Так вот, Цадник запатентовал свою реализацию электромеханической трансмиссии ещё в 1926 году!

Смысл в примененииЕсли не верить авторам бредовых статей на слово и оглянуться вокруг, то вырисовывается совершенно другая картина. Во Франции работы над танками с электромеханическими трансмиссиями начались ещё в Первую Мировую войну и продолжались в межвоенное время. В США электромеханические трансмиссии опробовали на лёгком танке M2A3, среднем T23 и тяжёлом T1E1. В Англии построили, прости господи, TOG II. В СССР электромеханические трансмиссии неоднократно пытались ставить в тяжёлые танки. Даже в Чехословакии построили шасси лёгкого танка с радиальным двигателем и электромеханической трансмиссией.

Отсюда неизбежный вопрос: если электромеханические трансмиссии такие тяжёлые и требовательные к тоннам цветных металлов, почему в разных странах неоднократно возвращались к попыткам создания танков с их использованием?

Ответ заключён в уникальном сочетании характеристик.

Непрерывность и плавность изменения передаточного отношенияВ обычных механических трансмиссиях вал двигателя механически связан с ведущими колёсами. Это не только нагружает двигатель и трансмиссию, но и приводит к тому, что для плавного изменения скорости приходится регулировать обороты двигателя, из-за чего он далеко не всегда работает в оптимальном режиме. Существенно изменить силу тяги и скорость можно лишь при помощи коробки передач, но это весьма грубый метод, с которым, однако, приходится мириться.

Электродвигатели обладают важным свойством: при увеличении сопротивления окружающей среды (например, танк съехал с хорошей дороги на вспаханное поле) скорость танка снижается, как и обороты вала электродвигателя, но при этом увеличивается сила тяги. А так как наибольшая сила тяги развивается при наименьших оборотах, танк получает хорошую проходимость и отличные тяговые характеристики. Например, Maus может тянуть за собой такой же танк, а это почти 380 тонн! Да, медленно и очень неспешно, но может.

Довольный Отто Цадник после вождения Мауса

Раз при использовании электромеханической трансмиссии первичные двигатели никак не связаны механически с ведущими колёсами, то они могут постоянно работать в оптимальном режиме, а тяговые электродвигатели позволяют плавно менять силу тяги и скорость при неизменной скорости вращения вала первичного двигателя внутреннего сгорания. Коробка передач позволяет менять скорость и силу тяги лишь ступенчато, что нередко приводит к неэффективному использованию мощности.

Чем тяжелее машина и чем мощнее его двигатель, тем большие нагрузки испытывают двигатель и трансмиссия и тем менее применимой становится обычная механическая трансмиссия. Именно поэтому на современных танках, а также грузовиках (БелАЗ-75710) и тракторах (ДЭТ-250) специального назначения используют электро- и гидромеханические трансмиссии.

СамоприспосабливаемостьСамоприспосабливаемость к дорожным условиям - другое важнейшее свойство электромеханической трансмиссии, которое гармонично сочетается с непрерывностью изменения скорости и тяги.

Во время движения танка электромеханическая трансмиссия не только плавно изменяет силу тяги и скорость, но и делает это автоматически. Когда танк съезжает с хорошей дороги на говна, то тяговые электродвигатели сами без участия водителя увеличат силу тяги и снизят скорость танка до оптимального уровня.

Это чрезвычайно облегчает управление танком. Водитель при помощи реостатов задаёт примерный диапазон скоростей, а точную подстройку под конкретные дорожные условия сделает сама трансмиссия.

Простота устройстваНемаловажное достоинство схемы электромеханической трансмиссии с двумя тяговыми электродвигателями, каждый из который работает на свою гусеницу, заключается в том, что отпадает необходимость в главном фрикционе, коробке передач и механизме поворота. Водитель может задавать электродвигателям разные скорости вращения и танк совершит плавный поворот. Никакого специального механизма поворота не требуется.

Это приводит к значительному упрощению редукторной части (то есть валов и шестерней). В Tiger (P) вся редукторная часть трансмиссии состоит из соединения генераторов с бензиновыми двигателями и из двух планетарных передач, соединяющих электродвигатели с ведущими колёсами:

А вот для сравнения редукторная часть трансмиссии Tiger (H):

В этом и проблема обычных механических трансмиссий: хочешь выдающихся характеристик - городи огород из валов и шестерён.

Ложка дёгтяЭлектромеханические трансмиссии обладают целым рядом весомых достоинств, поэтому в самых разных странах их неоднократно пытались применить на танках. И всё таки стандартом в танкостроении они не стали. Виной всему два существенных недостатка. Да, всего два, но очень существенных.

Во-первых, генераторы и электродвигатели очень много весят. Например, на Tiger (P) каждый блок из двигателя и спаренного с ним генератора весил полторы тонны, из которых тонна приходилась на генератор. Таким образом только генераторы в сумме весили 2 тонны, то есть как вся механическая танковая трансмиссия, а ведь есть ещё электродвигатели... Всего это около 4,6 тонн, так-то!

Во-вторых, генераторы и электродвигатели требуют много цветных металлов, которые могут стать дефицитными в военное время.

Так что электромеханическая трансмиссия от Tiger (P) очень интересна, ведь она стояла на Фердинандах, воевавших в годы Второй Мировой войны. Это не просто концепт, очередной эксперимент. В конце войны только у немцев и американцев были действительно практичные с точки зрения войсковой эксплуатации бронетанковые шасси с электромеханическими трансмиссиями. Многие пытались, но не у многих получилось.

Трансмиссия Typ 101После рассуждений о предшественниках, достоинствах и недостатках посмотрим на конкретную реализацию.

УстройствоTiger (P) задумывался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. В этом разделе мы поговорим об электромеханике, а в следующем о трансмиссии фирмы Voith.

Двигатели и трансмиссия Tiger (P) располагались в кормовой части корпуса под съёмными бронелистами крыши, что значительно упрощало их демонтаж без необходимости снимать башню. Два бензиновых V-образных 10-цилиндровых 15-литровых двигателя воздушного охлаждения Porsche Typ 101 мощностью 320 л.с. при 2500 об/мин соединялись с генераторами, причём роторы генераторов служили одновременно маховиками. Каждый генератор Typ aGV 275/24 снимал до 374 л.с.

Двигатель Typ 101/2 со спаренным генератором и системой охлаждения:

Позади двигателей находились два тяговых электродвигателя Typ D1495a фирмы Siemens мощностью 313 л.с. каждый. Генераторы соединялись бортовыми двухступенчатыми редукторами (передаточное число 15) с ведущими колёсами.

Тяговые электродвигатели в Фердинанде:

Под сиденьем механика-водителя находилась система управления. Она состояла из педалей подачи топлива (газа), тормоза, а также рычагов управления трансмиссией, при помощи которых мехвод задавал скорость и направление движения. Система управления тормозов была гидропневматической и не требовала больших физических усилий.

Работа при прямолинейном движенииТрансмиссия Tiger (P) рассчитана под максимальную скорость в 35 км/ч. Во время испытаний в СССР Фердинанд развил 35 км/ч по шоссе, при этом мощность бензиновых двигателей использовалась не полностью. Более лёгкий Tiger (P) тем более мог развивать максимальную скорость на хороших дорогах.

Во время прямолинейного движения оба генератора работают как генераторы, а электродвигатели как моторы. Электродвигатели соединялись последовательно, благодаря чему Tiger (P) был очень удобен в управлении и хорошо держал направление при езде по прямой: если одна гусеница крутилась быстрее другой, то напряжение на соответствующем электромоторе поднималось. Шунтовая обмотка ослабляла магнитное поле этого мотора, что приводило к уменьшению вращающегося момента и выравниванию движения всего танка.

Левая схема - работа трансмиссии при прямолинейном движении.

Работа при поворотеТеперь совершим поворот почти без потери скорости. Забегающая гусеница ускоряется, вместе с ней увеличивается скорость вращения соответствующего электромотора. Так как он требует больше мощности, оба генератора питают его энергией. Кроме того, второй электромотор тоже начинает работать как генератор (см. правую схему на иллюстрации выше).

На первый взгляд непрофессионалу это может показаться странным. С чего бы электродвигателю отстающей гусеницы работать в режиме генератора? На самом деле это совершенно естественно. Предположим, что поворот танка осуществляется путём отключения электродвигателя отстающей гусеницы. Генераторы питают только один электродвигатель, который вращает свою гусеницу. Но если вторую гусеницу не затормозить, то она тоже будет вращаться, пусть и медленнее (именно поэтому для крутых поворотов отстающую гусеницу не только отключают от двигателя, но и принудительно тормозят). Это значит, что электродвигатель вращает не одну гусеницу, а две, просто на одну гусеницу мощность идёт через бортовой редуктор, а на другую через землю. Если мы включим в сеть электродвигатель отстающей гусеницы как генератор, то он будет возвращать мощность от отстающей гусеницы обратно. Это явление называется циркуляцией мощности. Если подходить к нему с умом, то во время поворота можно экономить мощность. Это значит, что для совершения поворота нужно меньше мощности.

ОценкаЯ принципиально не буду давать свою оценку, а ограничусь цитированием немецких и советских документов об испытаниях и применении Фердинандов. Надо сказать, что электромеханическая трансмиссия Фердинандов точно такая же, как у Tiger (P), поэтому нижесказанное во многом касается и Тигра Порше.

Из письма унтер-офицера Боэма из 653-го батальона генералу Хартманну от 19 июля 1943 года о боевом применении Фердинандов:

Электрический мотор работал безупречно, и водители и экипажи были приятно удивлены. Бензиновые двигатели имели незначительные повреждения, они признаны слабыми из-за большого тоннажа машины, а гусеницы немного узковаты.

Из доклада офицера 653-го батальона Хайнца Грёшила об эксплуатации Фердинандов, направленного 25 июля 1943 года Фердинанду Порше:

Генераторы и электромоторы. В Нойзейдле у нас было последнее повреждение генератора. Это опять было короткое замыкание в рубящем контакте. С тех пор устройства работают без дефектов. Все же нужно подчеркнуть, что сейчас преобладает сухая погода и эти агрегаты редко полностью охлаждаются.

Контроллер механика-водителя. Тоже не имел достойных упоминания поломок. У трёх машин заменены поворотные реостаты цепи возбуждения

Не менее интересен отчёт по результатам испытаний трофейного Фердинанда. Надо сказать, сам Фердинанд достался потрёпанным:

Испытанный экземпляр самоходной артустановки «Фердинанд» поступил с фронта в рабочем состоянии с сильным загрязнением всей силовой установки. При этом отсутствовали многие агрегаты и приборы, например, щиток со всеми контрольными приборами, один из двух генераторов зарядки батарей, компрессор пневмогидравлической системы торможения. Один из двигателей был полуразрушен, электропроводка низковольтная и силовая частично нарушена, два катка ходовой части подбиты и т. п.

Так что испытателям пришлось сперва отремонтировать Фердинанд при отсутствии документов и запчастей, а затем провести испытания:

В дальнейшем вся система в целом работала бесперебойно и надёжно. За время испытаний не было ни одного случая отказа или дефектов в работе каких-либо агрегатов по причине их несовершенства. Испытания электрической трансмиссии «Фердинанд» проводил совместно с заводом № 627 НКЭП при участии инженеров-специалистов по электротяге НИИ НКПО.

Движение по прямой:

Устойчивость движения по прямой.

Испытания на устойчивость прямолинейного движения СУ производились на 100-метровом участке просёлочной дороги.

Рычаги контроллеров находились при испытаниях в крайнем переднем положении.

При всех проведённых заездах на 100 метров машину практически не уводило в сторону. Во время пробега на 50 км при движении СУ по прямой на любых грунтах и скоростях до 25 км/ч электротрансмиссия обеспечивала устойчивость прямолинейного движения.

Устойчивость движения по прямой, несмотря на последовательное соединение тяговых электромоторов и сериосное их возбуждение, объясняется наличием на электромоторах шунтовой противовключенной обмотки. При случайном повышении скорости одной из гусениц и соответствующего повышения напряжения на электромоторе этой гусеницы, шунтовая обмотка ослабляет магнитное поле данного мотора, снижая тем самым его вращающий момент и соответственно его скорость и напряжение на клеммах.

Скорости движения.

Максимальная скорость движения СУ на горизонтальном участке сухой грунтовой дороги была получена 22 км/ч, при этом мощность, развиваемая первичными двигателями, была близкой к максимальной (полное открытие дроссельных заслонок при 2800–3000 об/мин).

Максимальная скорость движения на горизонтальном участке асфальтированной дороги (Можайское шоссе) достигла 35 км/час при неполном использовании мощности первичных двигателей.

Однако немцы, избегая перегрузки тяговых электромоторов по оборотам, имеющим номинальное число оборотов 1300 об/мин, рекомендуют механику-водителю (в спецтабличке-памятке) не допускать скорости движения более 20 км/ч.

Установленная немцами максимальная скорость движения СУ соответствует максимальной скорости движения по сухой грунтовой дороге при полном использовании мощности первичных двигателей. Получение больших скоростей движения в этих условиях лимитируется мощностью первичных двигателей.

На основании данных полного использования мощности первичных двигателей при движении СУ по просёлочной дороге со скоростью 20 км/ч и возможности полуторакратной перегрузки электромоторов по оборотам немцами принято передаточное число бортовой передачи 15.

Максимальная скорость движения СУ по шоссе лимитируется исключительно предельно-допустимыми оборотами тяговых электромоторов (2000 об/мин). Мощность первичных двигателей при этом используется не более 50 % от максимальной

Так как Tiger (P) очень любят ругать за якобы ненадёжную работу электромеханической трансмиссии (разумеется, не прилагая к этому никаких документов), особенно интересна часть отчёта о надёжности. Напомню, на Tiger (P) с электромеханической трансмиссией стояли те же генераторы и электродвигатели, что и на Фердинандах.

8. По надёжности работы.

а) Все агрегаты силовой установки, особенно электротрансмиссия, во время испытаний работали надёжно.

б) Все элементы ходовой части работали надёжно.

Оценка электромеханической трансмиссии советскими специалистами:

9. По электрической трансмиссии.

Электрическая схема трансмиссии имеет следующие положительные данные:

а) Принципиальная простота и высокая надёжность в работе.

б) Обеспечение наиболее полного использования мощности первичных двигателей.

в) Возможность работы первичных двигателей в наиболее благоприятных режимах при различных условиях движения машины.

г) Возможность рекуперации энергии при поворотах. (имеется ввиду использование электромотора отстающей гусеницы как генератора - прим.ав.)

д) Бесступенчатость изменения движения машины, автоматичность изменения её зависимости от положения дроссельной заслонки и изменения сопротивления движению.

е) Устойчивость движения по прямой при ходе вперёд.

10. По удобству управления движением.

а) СУ «Фердинанд» вследствие применения в ней электрической трансмиссии по управлению является самой лёгкой по сравнению со всеми существующими ныне гусеничными машинами. Всё управление сводится к лёгкому нажатию ногой водителя на педаль акселератора и, в такой же степени, лёгкому перемещению водителем рычагов контроллеров.

б) Лёгкость управления не утомляет механика-водителя при длительном движении и позволяет ему больше уделять внимания наблюдению за местностью и полем боя.

11. По манёвренности.

СУ «Фердинанд», несмотря на сравнительно хорошую поворачиваемость, вследствие малых скоростей движения имеет плохую манёвренность, уступая в этом современным танкам, что делает её легко уязвимой от прицельного огня артиллерии.

Наконец, заключение:

1. Несмотря на лёгкость управления и удовлетворительную поворачиваемость, машина, в общем, имеет плохую манёвренность вследствие низких скоростей движения, что в значительной степени снижает её боевые качества, обусловленные её мощной пушкой и толстой бронёй.

2. Для отечественной промышленности представляет интерес тип подвески ходовой части, обеспечивающий надёжную амортизацию такой тяжёлой машины.

3. Осуществлённая в машине электротрансмиссия ввиду принципиальной простоты её схемы, высокой надёжности в работе и целому ряду других положительных качеств, выявленных испытаниями, представляет для нашей промышленности непосредственный интерес с точки зрения прямой целесообразности осуществления подобной схемы на отечественных тяжёлых танках

Полный текст отчёта можно найти в книге Максима Коломийца о Фердинанде.

Typ 102Планы производстваС самого начала Tiger (P) планировался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической трансмиссией и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. Электромеханическую трансмиссию по схеме Цадника реализовала фирма Siemens, а гидромеханическую трансмиссию разработала и изготовила фирма Voith.

Первоначально планировалось, что в серии из 100 Tiger (P) 50 танков будут выпущены в варианте Typ 101, а остальная половина в варианте Typ 102. Позже программа по выпуску танков была пересмотрена: в варианте Typ 102 с гидромеханической трансмиссией планировалось изготовить только 10 танков, а лишние заготовленные корпуса переделывались под установку электромеханической трансмиссии. Закончилось же дело тем, что выпустили всего лишь один прототип Typ 102. К сожалению, пока не удалось найти документы, которые бы проливали свет на эти факты. Нет никакой достоверной информации по испытаниям Typ 102, равно как и нет ответа на вопрос о том, почему выпуск танков Tiger (P) с гидромеханической трансмиссией был фактически отменён.

Ситуация с трансмиссиями вообще очень загадочна. Всё было бы понятно, если бы собрали Typ 102, он бы провалил испытания и выпуск таких танков свернули. Но выпуск Typ 102 решили сократить до 10 танков в мае 1942 года, в октябре того же года в документах гидромеханическая трансмиссия фигурирует как альтернатива электромеханической трансмиссии на Typ 181, он же VK 45.02 (P) с задним расположением башни. Сообщение о построенном прототипе Typ 102 относится и вовсе к 1943 году...

Устройство гидромеханической трансмиссииПо конструкции танки VK 45.01 (P) Typ 102 были подобны базовому варианту Typ 101, отличаясь только другой трансмиссией и вентиляционными жалюзи.

Каждый двигатель Porsche Typ 101 соединялся с гидротрансформатором «NITA» фирмы Voith. Мощность от гидротрансформаторов поступала на карданный вал, который проходил между двигателей к коробке передач с двумя скоростями вперёд и одной назад. Коробка передач соединялась с механизмом поворота, от которого мощность шла к ведущим колёсам. Подобная необычная компоновка позволяла разместить двигатели в том же месте, что и при использовании электромеханической трансмиссии.

Управление танком осуществлялось с помощью рычагов, механических тяг и гидропневматической системы. Как и Typ 101, максимальная скорость Typ 102 рассчитывалась в 35 км/ч.

Нередко подчёркивают, что Фердинанд Порше предлагал для использования на танках электромеханические трансмиссии. При этом в тени оказывается тот факт, что не менее активно он предлагал и гидромеханические трансмиссии. У них есть целый ряд общих достоинств, делающих их применение на танках естественным:

  • Двигатель механически не связан с ведущими колёсами, гидротрансформатор разгружает двигатель и трансмиссию, увеличивая их срок службы.
  • Гидротрансформатор позволяет плавно и бесступенчато изменять скорость и силу тяги танка. Так как диапазон скоростей у него недостаточный, в состав трансмиссии включают коробку передач на 2-3 скорости.
  • Как и электродвигатель, гидротрансформатор без участия водителя самоподстраивается под условия окружающей среды, то есть трансмиссия работает как автоматическая.

При этом гидромеханическая трансмиссия имеет два весомых преимущества перед электромеханической: она меньше весит и не требует значительного количества цветных металлов. Именно поэтому версия об отмене серийного производства Tiger (P) из-за дефицита меди несостоятельна: Порше предлагал для него альтернативный вариант с гидромеханической трансмиссией, не требующий тонн цветных металлов.

В то же время гидротрансформатор в отличие от электродвигателей не может работать как механизм поворота, поэтому в дополнение к коробке передач приходится вводить механизм поворота, конструкция которого ограничивает поворотливость танка. Я не удивлюсь, если VK 45.01 (P) Typ 102 не мог поворачиваться строго на месте в отличие от своего электромеханического собрата. Правда, по имеющимся данным подтвердить или опровергнуть это невозможно, поскольку в свободном доступе нет чертежей и схем механической части трансмиссии от Typ 102.

В танкостроении гидромеханические трансмиссии в настоящий момент занимают золотую середину между дешёвыми и лёгкими, но малоэффективными механическими трансмиссиями и тяжёлыми и дорогими, но эффективными электромеханическими трансмиссиями. Так что можно без всякой натяжки сказать, что Фердинанд Порше был прав по поводу целесообразности применения гидромеханических трансмиссий на танках. Уже в конце Второй Мировой войны американцы применили M26 Pershing с гидромеханическими трансмиссиями, а в настоящее время это одно из типичных решений для тяжёлой гусеничной техники.

Источники

  • Thomas L. Jentz, Hilary L. Doyle - Panzerkampfwagen VI P (Sd.Kfz.181)
  • D 656/3 Panzerjaeger Tiger (P) vom 1.5.43
  • Karl Ludvigsen - Professor Porsche’s Wars: The Secret Life of Legendary Engineer Ferdinand Porsche Who Armed Two Belligerents Through Four Decades
  • Walter J. Spielberger - Der Panzer-Kampfwagen Tiger und seine Abarten (Band 7 der Reihe «Militarfahrzeuge»)
  • Walter J. Spielberger, Thomas L. Jentz, Hilary L. Doyle - Heavy Jagdpanzer: Development - Production - Operations
  • Максим Коломиец - «Элефант». Тяжелое штурмовое орудие Фердинанда Порше
  • Желтов И., Пашолок Ю. - Panzerkampfwagen Maus (Конструирование и производство)

kedoki.livejournal.com

Электромеханическая трансмиссия

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока. Электромеханическая трансмиссия содержит тепловой двигатель, тяговое устройство, две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления. Каждая индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками. Накопитель энергии содержит пленочный конденсатор. Трансмиссия дополнительно снабжена вторым накопителем энергии, подключенным к первому накопителю энергии и второй силовой шине. Первые выводы фазных обмоток второй индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы обмоток первой и второй индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии. Электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый ключ соединен с фазной обмоткой первой индукторной машиной и катодом диода и с первой силовой шиной. Достигается улучшение характеристик трансмиссии. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения и может быть использовано в тяговых трансмиссиях гусеничных машин.

Известен автономный тяговый электропривод (Патент РФ на изобретение №2093378 С1 МПК6 B60L 11/08, 1995), содержащий генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем, трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока, преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены со входами обоих мостов соответствующей пары, фазные выводы включенных в звезду статорных обмоток электродвигателя подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы.

Недостатком устройства является сложность силовой схемы, наличие обмоток на роторе синхронного генератора и двигателя, низкий кпд.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является электромеханическая трансмиссия (патент РФ №2376158 С2 МПК В60К 17/00 (2006.01), Н02Р 8/00 (2006.01), содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, кроме того, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам, введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии являются:

- относительно высокая стоимость, обусловленная тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два электронных коммутатора, каждый из которых содержит большое количество дорогостоящих управляемых ключей и диодов;

- относительно низкий кпд, обусловленный тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, в каждом из которых образуются потери в электронных ключах и других силовых элементах, что снижает общий кпд трансмиссии;

высокие массо-габаритные показатели, обусловленные тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, каждый из которых занимает определенный объем и увеличивает массу трансмиссии.

Задачей, решаемой изобретением, является создание более простой электромеханической трансмиссии, обеспечивающей снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Для решения поставленной задачи электромеханическая трансмиссия содержит как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления.

Электромеханическая трансмиссия имеет отличия от прототипа: она снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, причем первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машины и катодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также она содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей.

Снижение стоимости электромеханической трансмиссии достигается тем, что в результате упрощения устройства за счет введения дополнительного накопителя энергии и изменения связей между элементами устройства, уменьшено количество электронных коммутаторов, а следовательно, и количество дорогостоящих силовых элементов, значительно превышающих стоимость введенного в устройство накопителя энергии. Например, для тягового привода с реактивными индукторными машинами применяется полумостовая схема электронного коммутатора, содержащая в каждой фазе два управляемых ключа, соединенных последовательно с фазной обмоткой реактивной индукторной машины и подключенных к силовым шинам, два обратных диода, шунтирующих фазную обмотку и соответствующие управляемые ключи. (Тяговые двигатели электровозов. В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев и др. Под общей редакцией В.Г.Щербакова. Агентство Наутилус. Новочеркасск, 1998. с.667, на с.379). Предлагаемое устройство выгодно отличается от известного тем, что на одну фазу реактивной индукторной машины приходится один управляемый ключ и один диод.

Повышение кпд трансмиссии достигается за счет уменьшения потерь мощности в силовых элементах электронного коммутатора. В известном устройстве потери образуются в двух управляемых ключах и двух диодах каждой фазы. В предлагаемом устройстве - в одном управляемом ключе и одном диоде. Так как токовая загрузка силовых элементов в обоих устройствах примерно одинакова во всех режимах работы электрических машин, то потери мощности в силовых элементах в предлагаемом устройстве примерно в два раза меньше, чем в известном устройстве.

Улучшение массо-габаритных показателей достигается созданием более компактной облегченной конструкции электронного коммутатора за счет уменьшения количества силовых элементов и снижения мощности потерь.

На фигуре 1 показана схема электромеханической трансмиссии. Схема содержит тепловой двигатель 1, кинематически соединенный с первой многофазной реактивной индукторной машиной 2, снабженной датчиком положения ротора 3, тяговое устройство 4, кинематически соединенное со второй многофазной реактивной индукторной машиной 5, снабженной датчиком положения ротора 6, первые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к электронному коммутатору 7, а вторые выводы фазных обмоток подключены к точке соединения выводов накопителей энергии 8 и 9, вторые выводы которых подключены к электронному коммутатору 7 через силовые шины 10. Блок управления 11 соединен с датчиками положения ротора 3, 6 и подключен к электронному коммутатору 7.

На фигуре 2 показана схема подключения цепей электронного коммутатора 7 к силовым цепям схемы на примере применения трехфазных реактивных индукторных машин. Электронный коммутатор 7 содержит цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.1-7.3, соединенные с первыми выводами фазных обмоток реактивной индукторной машины 2 и катодами диодов 7.7-7.9, вторые выводы электронных ключей 7.1-7.3 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал, а аноды диодов 7.7-7.9 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а также цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.10-7.12, соединенные с первыми выводами фазных обмоток второй реактивной индукторной машины 5 и анодами диодов 7.4-7.6, причем, вторые выводы электронных ключей 7.10-7.12 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а катоды диодов 7.4-7.6 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал. К силовым шинам 10.1, 10.2 подключена цепь из последовательно включенных накопителей энергии 8 и 9, а вторые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к точке соединения накопителей энергии 8 и 9.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.

Тепловой двигатель 1 приводит во вращение вал реактивной индукторной машины 2. Блок управления 11, в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 3 и 6 реактивных индукторных машин 2 и 5, вырабатывает сигналы управления и подает их на управляемые ключи электронного коммутатора 7 таким образом, что при замыкании ключей 7.1-7.3 фазные обмотки реактивной индукторной машины 2 подключаются через силовую шину 10.1 к накопителю энергии 8 и потребляют от него энергию, необходимую для возбуждения реактивной индукторной машины 2. При размыкании ключей 7.1-7.3 в фазных обмотках реактивной индукторной машины 2 генерируется электрическая энергия, которая передается через диоды 7.7-7.9 и шину 10.2 в накопитель энергии 9, а при замыкании ключей 7.10-7.12 фазные обмотки реактивной индукторной машины 5, кинематически соединенной с тяговым устройством 4, подключаются к накопителю энергии 9 и потребляют от него электрическую энергию, преобразуя ее в механическую энергию, которая передается на тяговое устройство 4. При размыкании ключей 7.10-7.12 энергия, запасенная в фазных контурах реактивной индукторной машины 5, передается в накопитель энергии 8 через диоды 7.4-7.6 и силовую шину 10.1 и в следующем цикле работы устройства она снова используется для возбуждения реактивной индукторной машины 2.

Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что создана более простая электромеханическая трансмиссия, обеспечивающая снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Электромеханическая трансмиссия, содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления, отличающаяся тем, что электромеханическая трансмиссия дополнительно снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машиной и катодом диода, а вторым выводом - с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, причем катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

www.findpatent.ru

Электромеханическая трансмиссия транспортного средства

Изобретение относится к гибридной силовой передаче бесступенчатой трансмиссии сельскохозяйственного транспортного средства. Электромеханическая трансмиссия содержит электрогенератор, приводной вал редуктора отбора мощности, электродвигатель, зубчатую передачу и выходной вал. Вал ротора электрогенератора выполнен полым. Внутри вала ротора установлен торсионный вал. Зубчатая передача выполнена в виде диапазонной коробки передач, снабженной полым входным валом и двумя промежуточными валами. На одном валу свободно установлены шестерни постоянного зацепления с жестко установленными шестернями на полом входном валу и переключающее устройство. На другом валу жестко установлены шестерни постоянного зацепления со свободно установленными шестернями на выходном валу. Технический результат заключается в снижении динамических нагрузок и улучшении разгонных качеств. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, а именно к гибридной силовой передаче бесступенчатой трансмиссии сельскохозяйственного транспортного средства, в частности трактора.

Бесступенчатые трансмиссии с применением гибридной (электромеханической) передачи позволяют наилучшим образом согласовывать характеристики двигателя с постоянно меняющимися условиями работы трактора, обеспечивая точное регулирование скорости движения и максимальную загрузку двигателя.

Известны электромеханические трансмиссии транспортных средств, содержащие электрогенератор, электродвигатель, кинематически связанные с двигателем внутреннего сгорания и через суммирующий планетарный механизм - с конечной передачей (1-7).

Однако известные указанные трансмиссии имеют низкий КПД и достаточно большую стоимость промышленного изготовления.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрана известная электромеханическая трансмиссия для сельскохозяйственного трактора, включающая электрогенератор, вал ротора которого передним концом кинематически соединен с двигателем внутреннего сгорания, а задним концом - с приводным валом редуктора отбора мощности, проходящим через полый вал ротора соосно расположенного электродвигателя, при этом полый вал ротора электродвигателя кинематически соединен с ведущим мостом через зубчатую передачу (8).

Недостаток известной трансмиссии заключается в низкой экономической эффективности и высоких динамических нагрузках, возникающих в зубчатой передаче.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономической эффективности и долговечности электромеханической передачи путем повышения КПД, снижения динамических нагрузок и улучшения разгонных качеств.

Поставленная задача решена следующим образом. Электромеханическая трансмиссия транспортного средства включает электрогенератор, вал ротора которого кинематически соединен с двигателем внутреннего сгорания и с приводным валом редуктора отбора мощности, проходящим через полый вал ротора соосно расположенного электродвигателя. При этом полый вал ротора электродвигателя кинематически соединен с ведущим мостом через зубчатую передачу и выходной вал. Согласно изобретению вал ротора электрогенератора выполнен полым, внутри него установлен торсионный вал, кинематически соединенный с двигателем внутреннего сгорания, с полым валом ротора электрогенератора и с приводным валом редуктора отбора мощности. Зубчатая передача выполнена в виде диапазонной коробки передач, снабженной полым входным валом с жестко установленными шестернями, соединенным с полым валом ротора электродвигателя, двумя параллельно расположенными относительно входного вала и соосно установленными относительно друг друга промежуточными валами. На одном из промежуточных валов свободно установлены шестерни постоянного зацепления с жестко установленными шестернями на полом входном валу и переключающее устройство. На другом промежуточном валу жестко установлены шестерни постоянного зацепления со свободно установленными шестернями на выходном валу, оснащенном переключающим устройством.

При этом переключающее устройство промежуточного вала может быть выполнено в виде гидроуправляемой фрикционной муфты или управляемой зубчатой муфты. Соединение торсионного вала с полым валом ротора электрогенератора и с приводным валом редуктора отбора мощности может быть выполнено посредством шлицевой втулки. Соединение входного вала диапазонной коробки передач с полым валом ротора электродвигателя может быть выполнено посредством зубчатой муфты. Зубчатая передача выполнена в виде четырехдиапазонной коробки передач.

На фиг.1 схематично изображена электромеханическая трансмиссия транспортного средства, продольный разрез. На фиг.2 изображен вариант исполнения переключающего устройства промежуточного вала в виде управляемой зубчатой муфты. На фиг.3 изображена диаграмма тягово-скоростной характеристики электромеханической трансмиссии. На фиг.4 изображена диаграмма тягово-скоростной характеристики работы электродвигателя в тяговом режиме при максимальном КПД.

Электромеханическая трансмиссия транспортного средства (фиг.1) включает электрогенератор 1 с полым валом 2 ротора, электродвигатель 3 с полым валом 4 ротора, диапазонную коробку передач 5, редуктор 6 отбора мощности и задний мост 7. Внутри вала 2 ротора электрогенератора 1 установлен с возможностью вращения торсионный вал 8, передний конец которого соединен через муфту 9 сцепления с двигателем внутреннего сгорания (не показан). Второй конец вала 8 соединен посредством, например, шлицевой втулки 10 с валом 2 ротора электрогенератора 1 и с приводным валом 11 редуктора 6 отбора мощности, проходящим внутри вала 4 ротора электродвигателя 3.

В состав диапазонной коробки передач 5 входит полый входной вал 12 с жестко установленными шестернями 13 и 14, параллельный входному валу 12 промежуточный вал 15 со свободно установленными шестернями 16, 17 и переключающим устройством 18, параллельный входному валу 12 и соосный промежуточному валу 15 промежуточный вал 19 с жестко установленными шестернями 20 и 21, выходной вал 22 со свободно установленными шестернями 23, 24 и переключающим устройством 25.

Вал 4 ротора электродвигателя 3 через зубчатую втулку 26 соединен с входным валом 12, шестерни 13 и 14 которого постоянно зацеплены с шестернями 16 и 17 промежуточного вала 15. Переключающее устройство промежуточного вала 15 может быть выполнено в виде, например, гидроуправляемой фрикционной муфты (фиг.1) или управляемой зубчатой муфты (фиг.2). Промежуточный вал 19 соединен с промежуточным валом 15 посредством зубчатой муфты 27, его шестерни 20 и 21 постоянно зацеплены с шестернями 23 и 24 выходного вала 22. Переключающее устройство 25 выходного вала 22 может быть выполнено в виде, например, управляемой зубчатой муфты (фиг.1). Выходной вал 22 посредством ведущей конической шестерни 28 и ведомой конической шестерни 29 соединен с полуосями заднего моста 7.

Электромеханическая трансмиссия транспортного средства работает следующим образом.

Крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания передается через муфту 9 сцепления торсионному валу 8, который посредством шлицевой втулки 10 передает его на вал 2 ротора электрогенератора 1 и приводной вал 11 редуктора 6 отбора мощности. Торсионный вал 8 служит для гашения крутильных колебаний, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания к валу 2 ротора электрогенератора 1. Далее передача крутящего момента на редуктор 6 отбора мощности осуществляется через приводной вал 11.

Электрическая мощность электрогенератора 1 через специальный преобразователь (не показан) передается электродвигателю 3, вал 4 ротора которого через зубчатую муфту 26 вращает входной вал 12 с шестернями 13 и 14.

Мощность электродвигателя 3 может передаваться через выходной вал 22 на задний мост 7 четырьмя потоками, включающими два режима:

тяжелый, через шестерню 23, и основной, через шестерню 24. Шестерни 23 и 24 переключают зубчатой муфтой 25.

На каждом режиме мощность может передаваться через одну из двух ступеней промежуточного вала 15, переключаемых под нагрузкой, при помощи переключающего устройства 18 в виде, например, гидроуправляемой фрикционной муфты (фиг.1) или управляемой зубчатой муфты (фиг.2).

Рассмотрим работу трансмиссии, например, на основном режиме. Для этого шестерню 23 соединяют зубчатой муфтой 25 с выходным валом 22 и включают фрикционную муфту 18 первой ступени. Вращение от вала 4 ротора электродвигателя 3 передается через вал 12, шестерни 14 и 17 на промежуточный вал 15, через зубчатую муфту 27 - на промежуточный вал 19, через шестерни 21 и 24 - на выходной вал 22 и далее на полуоси заднего моста 7.

При таком положении переключающих устройств передача работает в зоне III тягово-скоростной характеристики (фиг.3). Зона работы на тягово-скоростной характеристике выбрана из условий работы электродвигателя 3 в зоне максимального КПД от nmin до nmax (фиг.4). При снижении нагрузки до верхнего значения тягового сопротивления фрикционная муфта 18 переключается в другое положение. Передача работает в зоне IV тягово-скоростной характеристики (фиг.3).

При работе с большими тяговыми нагрузками поток мощности передается через зубчатое зацепление с большим передаточным числом, т.е. переключается зубчатая муфта 25, соединяя шестерню 23 с выходным валом 22. В этом случае силовая передача будет работать в зоне I тягово-скоростной характеристики на первой ступени и в зоне II на второй ступени.

Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение электромеханической трансмиссии транспортного средства обеспечивает работу силовой передачи с высоким КПД во всем диапазоне тяговых сопротивлений, снижает динамические нагрузки и улучшает разгонные качества, что, в конечном итоге, повышает экономическую эффективность и долговечность электромеханической передачи.

Источники информации

1. DE, № 4124479 А1, МПК: В60К 6/04, опубл. 28.01.1993.

2. DE, № 19749074 А1, МПК: B60L 11/02, В60К 17/28, опубл. 20.05.1999.

3. ЕР, № 1199204 А1, МПК: В60К 6/02, опубл. 24.04.2002.

4. ЕР, № 1205338 А2, МПК: В60К 26/02, опубл. 15.05.2002.

5. ЕР № 1317050 А2, МПК: Н02К 7/18, опубл. 04.06.2003.

6. US, № 6899190 BB, МПК: В60К 6/02, опубл. 31.05.2005.

7. ЕР, № 1547840 А2, МПК: В60К 6/02, опубл. 29.06.2005.

8. ЕР, № 0693392 В1, МПК: B60L 11/08, В60К 17/28, опубл. 18.03.1998 (прототип).

1. Электромеханическая трансмиссия транспортного средства, включающая электрогенератор, вал ротора которого кинематически соединен с двигателем внутреннего сгорания и с приводным валом редуктора отбора мощности, проходящим через полый вал ротора соосно расположенного электродвигателя, при этом полый вал ротора электродвигателя кинематически соединен с ведущим мостом через зубчатую передачу и выходной вал, отличающаяся тем, что вал ротора электрогенератора выполнен полым, внутри него установлен торсионный вал, кинематически соединенный с двигателем внутреннего сгорания, с полым валом ротора электрогенератора и с приводным валом редуктора отбора мощности, зубчатая передача выполнена в виде диапазонной коробки передач, снабженной полым входным валом с жестко установленными шестернями, соединенным с полым валом ротора электродвигателя, двумя параллельно расположенными относительно входного вала и соосно установленными относительно друг друга промежуточными валами, на одном из которых свободно установлены шестерни постоянного зацепления с жестко установленными шестернями на полом входном валу и переключающее устройство, а на другом жестко установлены шестерни постоянного зацепления со свободно установленными шестернями на выходном валу, оснащенным переключающим устройством.

2. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что переключающее устройство промежуточного вала выполнено в виде гидроуправляемой фрикционной муфты.

3. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что переключающее устройство промежуточного вала выполнено в виде управляемой зубчатой муфты.

4. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что соединение торсионного вала с полым валом ротора электрогенератора и с приводным валом редуктора отбора мощности выполнено посредством шлицевой втулки.

5. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что соединение входного вала диапазонной коробки передач с полым валом ротора электродвигателя выполнено посредством зубчатой муфты.

6. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что зубчатая передача выполнена в виде четырехдиапазонной коробки передач.

www.findpatent.ru

электромеханическая трансмиссия - патент РФ 2529306

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока. Электромеханическая трансмиссия содержит тепловой двигатель, тяговое устройство, две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления. Каждая индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками. Накопитель энергии содержит пленочный конденсатор. Трансмиссия дополнительно снабжена вторым накопителем энергии, подключенным к первому накопителю энергии и второй силовой шине. Первые выводы фазных обмоток второй индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы обмоток первой и второй индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии. Электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый ключ соединен с фазной обмоткой первой индукторной машиной и катодом диода и с первой силовой шиной. Достигается улучшение характеристик трансмиссии. 2 ил. электромеханическая трансмиссия, патент № 2529306

Рисунки к патенту РФ 2529306

Изобретение относится к области электрических тяговых систем с машинами переменного тока транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения и может быть использовано в тяговых трансмиссиях гусеничных машин.

Известен автономный тяговый электропривод (Патент РФ на изобретение № 2093378 С1 МПК6 B60L 11/08, 1995), содержащий генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем, трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока, преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены со входами обоих мостов соответствующей пары, фазные выводы включенных в звезду статорных обмоток электродвигателя подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы.

Недостатком устройства является сложность силовой схемы, наличие обмоток на роторе синхронного генератора и двигателя, низкий кпд.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является электромеханическая трансмиссия (патент РФ № 2376158 С2 МПК В60К 17/00 (2006.01), Н02Р 8/00 (2006.01), содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, кроме того, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам, введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии являются:

- относительно высокая стоимость, обусловленная тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два электронных коммутатора, каждый из которых содержит большое количество дорогостоящих управляемых ключей и диодов;

- относительно низкий кпд, обусловленный тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, в каждом из которых образуются потери в электронных ключах и других силовых элементах, что снижает общий кпд трансмиссии;

высокие массо-габаритные показатели, обусловленные тем, что электромеханическая трансмиссия содержит два и более электронных коммутатора, каждый из которых занимает определенный объем и увеличивает массу трансмиссии.

Задачей, решаемой изобретением, является создание более простой электромеханической трансмиссии, обеспечивающей снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Для решения поставленной задачи электромеханическая трансмиссия содержит как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления.

Электромеханическая трансмиссия имеет отличия от прототипа: она снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, причем первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машины и катодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также она содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - с силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей.

Снижение стоимости электромеханической трансмиссии достигается тем, что в результате упрощения устройства за счет введения дополнительного накопителя энергии и изменения связей между элементами устройства, уменьшено количество электронных коммутаторов, а следовательно, и количество дорогостоящих силовых элементов, значительно превышающих стоимость введенного в устройство накопителя энергии. Например, для тягового привода с реактивными индукторными машинами применяется полумостовая схема электронного коммутатора, содержащая в каждой фазе два управляемых ключа, соединенных последовательно с фазной обмоткой реактивной индукторной машины и подключенных к силовым шинам, два обратных диода, шунтирующих фазную обмотку и соответствующие управляемые ключи. (Тяговые двигатели электровозов. В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев и др. Под общей редакцией В.Г.Щербакова. Агентство Наутилус. Новочеркасск, 1998. с.667, на с.379). Предлагаемое устройство выгодно отличается от известного тем, что на одну фазу реактивной индукторной машины приходится один управляемый ключ и один диод.

Повышение кпд трансмиссии достигается за счет уменьшения потерь мощности в силовых элементах электронного коммутатора. В известном устройстве потери образуются в двух управляемых ключах и двух диодах каждой фазы. В предлагаемом устройстве - в одном управляемом ключе и одном диоде. Так как токовая загрузка силовых элементов в обоих устройствах примерно одинакова во всех режимах работы электрических машин, то потери мощности в силовых элементах в предлагаемом устройстве примерно в два раза меньше, чем в известном устройстве.

Улучшение массо-габаритных показателей достигается созданием более компактной облегченной конструкции электронного коммутатора за счет уменьшения количества силовых элементов и снижения мощности потерь.

На фигуре 1 показана схема электромеханической трансмиссии. Схема содержит тепловой двигатель 1, кинематически соединенный с первой многофазной реактивной индукторной машиной 2, снабженной датчиком положения ротора 3, тяговое устройство 4, кинематически соединенное со второй многофазной реактивной индукторной машиной 5, снабженной датчиком положения ротора 6, первые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к электронному коммутатору 7, а вторые выводы фазных обмоток подключены к точке соединения выводов накопителей энергии 8 и 9, вторые выводы которых подключены к электронному коммутатору 7 через силовые шины 10. Блок управления 11 соединен с датчиками положения ротора 3, 6 и подключен к электронному коммутатору 7.

На фигуре 2 показана схема подключения цепей электронного коммутатора 7 к силовым цепям схемы на примере применения трехфазных реактивных индукторных машин. Электронный коммутатор 7 содержит цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.1-7.3, соединенные с первыми выводами фазных обмоток реактивной индукторной машины 2 и катодами диодов 7.7-7.9, вторые выводы электронных ключей 7.1-7.3 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал, а аноды диодов 7.7-7.9 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а также цепи, в каждой из которых управляемые электронные ключи 7.10-7.12, соединенные с первыми выводами фазных обмоток второй реактивной индукторной машины 5 и анодами диодов 7.4-7.6, причем, вторые выводы электронных ключей 7.10-7.12 подключены к силовой шине 10.2, имеющей отрицательный потенциал, а катоды диодов 7.4-7.6 подключены к силовой шине 10.1, имеющей положительный потенциал. К силовым шинам 10.1, 10.2 подключена цепь из последовательно включенных накопителей энергии 8 и 9, а вторые выводы фазных обмоток реактивных индукторных машин 2 и 5 подключены к точке соединения накопителей энергии 8 и 9.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.

Тепловой двигатель 1 приводит во вращение вал реактивной индукторной машины 2. Блок управления 11, в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 3 и 6 реактивных индукторных машин 2 и 5, вырабатывает сигналы управления и подает их на управляемые ключи электронного коммутатора 7 таким образом, что при замыкании ключей 7.1-7.3 фазные обмотки реактивной индукторной машины 2 подключаются через силовую шину 10.1 к накопителю энергии 8 и потребляют от него энергию, необходимую для возбуждения реактивной индукторной машины 2. При размыкании ключей 7.1-7.3 в фазных обмотках реактивной индукторной машины 2 генерируется электрическая энергия, которая передается через диоды 7.7-7.9 и шину 10.2 в накопитель энергии 9, а при замыкании ключей 7.10-7.12 фазные обмотки реактивной индукторной машины 5, кинематически соединенной с тяговым устройством 4, подключаются к накопителю энергии 9 и потребляют от него электрическую энергию, преобразуя ее в механическую энергию, которая передается на тяговое устройство 4. При размыкании ключей 7.10-7.12 энергия, запасенная в фазных контурах реактивной индукторной машины 5, передается в накопитель энергии 8 через диоды 7.4-7.6 и силовую шину 10.1 и в следующем цикле работы устройства она снова используется для возбуждения реактивной индукторной машины 2.

Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что создана более простая электромеханическая трансмиссия, обеспечивающая снижение стоимости, повышение кпд, снижение массо-габаритных показателей при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электромеханическая трансмиссия, содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две реактивные индукторные машины, электронный коммутатор, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна реактивная индукторная машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронному коммутатору, первый вывод накопителя электрической энергии подключен к первой силовой шине, причем, каждая реактивная индукторная машина содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, датчики положения ротора реактивных индукторных машин подключены к блоку управления, отличающаяся тем, что электромеханическая трансмиссия дополнительно снабжена вторым накопителем энергии, который подключен ко второму выводу первого накопителя энергии и второй силовой шине, первые выводы фазных обмоток второй реактивной индукторной машины соединены с электронным коммутатором, а вторые выводы фазных обмоток первой и второй реактивных индукторных машин подключены к точке соединения первого и второго накопителей энергии, кроме того, электронный коммутатор содержит цепи, в каждой из которых управляемый ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой первой реактивной индукторной машиной и катодом диода, а вторым выводом - с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал, а анод диода соединен со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, а также содержит цепи, в каждой из которых управляемый электронный ключ одним выводом соединен с фазной обмоткой второй реактивной индукторной машины и анодом диода, а вторым выводом - со второй силовой шиной, имеющей отрицательный потенциал, причем катод диода соединен с первой силовой шиной, имеющей положительный потенциал.

www.freepatent.ru

электромеханическая трансмиссия - патент РФ 2376158

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных типах машин. Устройство содержит тепловой двигатель, тяговое устройство, две реактивные индукторные электрические машины, два электронных коммутатора, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления. Одна электрическая машина кинематически соединена с тепловым двигателем, а другая электрическая машина кинематически соединена тяговым устройством. Блок управления подключен к электронным коммутаторам. Накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам. Реактивные индукторные машины содержат ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками. Фазные обмотки выполнены в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора. Электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам. Технический результат заключается в повышении надежности работы электромеханической трансмиссии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2376158

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных и других типах машин.

Известна электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора (RU 2179119 С1, В60L 11/08,12.07.2001), содержащая тепловой двигатель, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор, а также подключенный к генератору через преобразователь частоты тока тяговый асинхронный двигатель. Выходной вал электрического двигателя через зубчатую муфту связан посредством конической передачи с осевым валом, который соединен с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа. Последние через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов выходного вала асинхронного двигателя, датчик и задатчик потока намагничивания асинхронного двигателя, подключенные к выходному блоку управления электромашинами, который соединен с блоком возбуждения синхронного генератора и преобразователем частоты тока. Генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока. Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скорости трактора в широком диапазоне за счет сохранения постоянства мощности при изменении тягового усилия трактора.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии гусеничного трактора являются:

- наличие обмоток на роторе синхронного генератора и на роторе асинхронного двигателя, на которые действуют большие центробежные силы, которые со временем могут привести к разрушению изоляции обмоток и выходу электромеханической трансмиссии из строя;

- ограничение на работу в области высоких частот вращения;

- невозможность работы при выходе из строя одной из фазных обмоток асинхронного двигателя или синхронного генератора;

- низкая ремонтопригодность, так как сложная конструкция статорных фазных обмоток асинхронного двигателя и синхронного генератора трансмиссии не позволяет производить ремонт вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки;

- относительно невысокий КПД асинхронного электродвигателя в области низких частот вращения;

- относительно высокая стоимость, вследствие применения в ней дорогостоящих электрических машин синхронного и асинхронного типов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является система электрического транспорта (WO 2006/037040 A1, B60K 6/04, 06.04.2006), содержащая двигатель внутреннего сгорания и генератор, соединенный с электродвигателем, силовую шину, соединенную с генератором, накопитель энергии, подключенный к силовой шине, контроллер привода, подключенный к электродвигателю и силовой шине и к контроллеру транспорта, где в качестве генератора применен синхронный генератор, электрический двигатель является асинхронным электрическим двигателем. Данная система электрического транспорта обладает теми же самыми недостатками, что и описанная выше электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора.

Задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии, обеспечивающей повышение надежности работы, повышение живучести, повышение ремонтопригодности, повышение КПД, а также снижение стоимости электромеханической трансмиссии при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Для решения поставленной задачи в электромеханической трансмиссии, содержащей как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрический энергии, блок управления, причем одна электрическая машина кинематически соединена с первичным тепловым двигателем, одна электрическая машина кинематически соединена с тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, согласно данному заявлению в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, при этом фазные обмотки реактивных индукторных машин подключены через электронные коммутаторы к силовым шинам.

В частных случаях предлагаемая электромеханическая трансмиссия может характеризоваться одним или несколькими из нижеперечисленных признаков:

- как минимум одна электрическая реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24;

- накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор;

- ведены датчики положения ротора электрических реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

Устранение недостатка, связанного с разрушением изоляции обмотки ротора под действием центробежных сил, достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых отсутствуют обмотки на роторе, что повышает надежность работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.

Сохранение работоспособности предлагаемой электромеханической трансмиссии при выходе из строя одной из фазных обмоток электрических машин достигается путем применения электрических реактивных индукторных машин, которые могут безопасно функционировать при выходе из строя одной из фазных обмоток. При этом вышедшая из строя фазная обмотка обесточивается, а мощность трансмиссии снижается. Таким образом, повышается живучесть электромеханической трансмиссии.

Повышение ремонтопригодности предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых фазная обмотка состоит из простых по конструкции сосредоточенных электрических катушек, что позволяет производить замену вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки.

Повышение КПД предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые имеют больший по сравнению с асинхронными и синхронными электрическими машинами КПД, особенно в области низких частот вращения.

Снижение стоимости предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые содержат простые по конструкции фазные обмотки только на статоре и по этой причине имеют более низкую стоимость по сравнению с электрическими машинами известной системы электрического транспорта.

Исполнение электрических реактивных индукторных машин, при котором результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора каждой электрической реактивной индукторной машины электромеханической трансмиссии равен или больше 24, при прочих равных условиях обеспечивает повышенную частоту выходного и питающего напряжений этих электрических машин. Это, в свою очередь, способствует уменьшению пульсаций напряжения на накопителе электрической энергии, а следовательно, уменьшению требуемой величины емкости накопителя энергии, что позволяет применить в накопителе предлагаемой электромеханической трансмиссии пленочные конденсаторы, которые при равных значениях рабочего тока и напряжения обладают более высокой надежностью и меньшими габаритами по сравнению с электролитическими конденсаторами. Указанное исполнение электрических реактивных индукторных машин в совокупности с применением накопителя электрической энергии, содержащего пленочные конденсаторы, будут способствовать уменьшению габаритов и повышению надежности работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.

На фиг.1 схематично изображена одна из многих возможных конфигураций предлагаемой электромеханической трансмиссии, которая содержит тепловой двигатель 1, электрическую реактивную индукторную машину 2, кинематически соединенную с тепловым двигателем 1, электронный коммутатор 3, силовые шины 4, к которым коммутатор 3 осуществляет подключение фазных обмоток реактивной индукторной машины 2, электронный коммутатор 5, электрическую реактивную индукторную машину 6, подключение фазных обмоток которой к силовым шинам 4 осуществляет электронный коммутатор 5, тяговое устройство 7, с которым кинематически соединена реактивная индукторная машина 6, накопитель электрической энергии 8, который подключен к силовым шинам 4, блок управления 9, датчики положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, причем датчики положения ротора 10 и 11 подключены к блоку управления 9.

На фиг.2 схематично изображена электрическая реактивная индукторная машина, содержащая безобмоточный ротор 12, на валу 13 которого закреплен зубчатый магнитопровод 14, статор 15 с полюсами 16 и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек 17, размещенных на полюсах 16 статора 15.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.

При вращении выходного вала теплового двигателя 1 блок управления 9 в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, вырабатывает сигналы управления и подает их на электронные коммутаторы 3 и 5. В соответствии с сигналами управления, поступающими от блока управления 9, электронные коммутаторы 3 и 5 подключают к силовым шинам 4 фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин 2 и 6 таким образом, что электрическая реактивная индукторная машина 2 через коммутатор 3 и силовые шины 4 потребляет необходимую для возбуждения электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, затем преобразует вращательную механическую энергию теплового двигателя 1 в электрическую энергию, которая через электронный коммутатор 3 и силовые шины 4 поступает обратно в накопитель электрической энергии 8, накопитель электрической энергии 8 поддерживает на силовых шинах 4 уровень напряжения, необходимый для передачи электрической энергии между электрическими реактивными индукторными машинами 2 и 6, электрическая реактивная индукторная машина 6 через электронный коммутатор 5 и силовые шины 4 потребляет электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, преобразует ее во вращательную механическую энергию и передает вращающий момент на тяговое устройство 7. Блок управления обеспечивает регулирование тягового усилия предлагаемой электромеханической трансмиссии в широком диапазоне значений.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электромеханическая трансмиссия, содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна электрическая машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна электрическая машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, отличающаяся тем, что в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам.

2. Электромеханическая трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

www.freepatent.ru

Электромеханическая трансмиссия

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных типах машин. Устройство содержит тепловой двигатель, тяговое устройство, две реактивные индукторные электрические машины, два электронных коммутатора, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии, блок управления. Одна электрическая машина кинематически соединена с тепловым двигателем, а другая электрическая машина кинематически соединена тяговым устройством. Блок управления подключен к электронным коммутаторам. Накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам. Реактивные индукторные машины содержат ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками. Фазные обмотки выполнены в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора. Электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам. Технический результат заключается в повышении надежности работы электромеханической трансмиссии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств и может быть использовано в рабочих, гусеничных, инженерных и других типах машин.

Известна электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора (RU 2179119 С1, В60L 11/08,12.07.2001), содержащая тепловой двигатель, кинематически соединенный с ним электрический синхронный генератор, а также подключенный к генератору через преобразователь частоты тока тяговый асинхронный двигатель. Выходной вал электрического двигателя через зубчатую муфту связан посредством конической передачи с осевым валом, который соединен с входными валами левого и правого механизмов поворота планетарного типа. Последние через бортовые редукторы связаны с ведущими колесами трактора. Система управления трансмиссией включает в себя датчик оборотов выходного вала асинхронного двигателя, датчик и задатчик потока намагничивания асинхронного двигателя, подключенные к выходному блоку управления электромашинами, который соединен с блоком возбуждения синхронного генератора и преобразователем частоты тока. Генератор имеет выход для питания потребителей сети переменного тока. Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скорости трактора в широком диапазоне за счет сохранения постоянства мощности при изменении тягового усилия трактора.

Недостатками данной электромеханической трансмиссии гусеничного трактора являются:

- наличие обмоток на роторе синхронного генератора и на роторе асинхронного двигателя, на которые действуют большие центробежные силы, которые со временем могут привести к разрушению изоляции обмоток и выходу электромеханической трансмиссии из строя;

- ограничение на работу в области высоких частот вращения;

- невозможность работы при выходе из строя одной из фазных обмоток асинхронного двигателя или синхронного генератора;

- низкая ремонтопригодность, так как сложная конструкция статорных фазных обмоток асинхронного двигателя и синхронного генератора трансмиссии не позволяет производить ремонт вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки;

- относительно невысокий КПД асинхронного электродвигателя в области низких частот вращения;

- относительно высокая стоимость, вследствие применения в ней дорогостоящих электрических машин синхронного и асинхронного типов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятой за прототип, является система электрического транспорта (WO 2006/037040 A1, B60K 6/04, 06.04.2006), содержащая двигатель внутреннего сгорания и генератор, соединенный с электродвигателем, силовую шину, соединенную с генератором, накопитель энергии, подключенный к силовой шине, контроллер привода, подключенный к электродвигателю и силовой шине и к контроллеру транспорта, где в качестве генератора применен синхронный генератор, электрический двигатель является асинхронным электрическим двигателем. Данная система электрического транспорта обладает теми же самыми недостатками, что и описанная выше электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора.

Задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии, обеспечивающей повышение надежности работы, повышение живучести, повышение ремонтопригодности, повышение КПД, а также снижение стоимости электромеханической трансмиссии при сохранении возможности регулирования тягового усилия в широком диапазоне значений.

Для решения поставленной задачи в электромеханической трансмиссии, содержащей как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрический энергии, блок управления, причем одна электрическая машина кинематически соединена с первичным тепловым двигателем, одна электрическая машина кинематически соединена с тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, согласно данному заявлению в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, при этом фазные обмотки реактивных индукторных машин подключены через электронные коммутаторы к силовым шинам.

В частных случаях предлагаемая электромеханическая трансмиссия может характеризоваться одним или несколькими из нижеперечисленных признаков:

- как минимум одна электрическая реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24;

- накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор;

- ведены датчики положения ротора электрических реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

Устранение недостатка, связанного с разрушением изоляции обмотки ротора под действием центробежных сил, достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых отсутствуют обмотки на роторе, что повышает надежность работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.

Сохранение работоспособности предлагаемой электромеханической трансмиссии при выходе из строя одной из фазных обмоток электрических машин достигается путем применения электрических реактивных индукторных машин, которые могут безопасно функционировать при выходе из строя одной из фазных обмоток. При этом вышедшая из строя фазная обмотка обесточивается, а мощность трансмиссии снижается. Таким образом, повышается живучесть электромеханической трансмиссии.

Повышение ремонтопригодности предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, у которых фазная обмотка состоит из простых по конструкции сосредоточенных электрических катушек, что позволяет производить замену вышедшей из строя фазной обмотки, не затрагивая работоспособные фазные обмотки.

Повышение КПД предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые имеют больший по сравнению с асинхронными и синхронными электрическими машинами КПД, особенно в области низких частот вращения.

Снижение стоимости предлагаемой электромеханической трансмиссии достигается применением электрических реактивных индукторных машин, которые содержат простые по конструкции фазные обмотки только на статоре и по этой причине имеют более низкую стоимость по сравнению с электрическими машинами известной системы электрического транспорта.

Исполнение электрических реактивных индукторных машин, при котором результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора каждой электрической реактивной индукторной машины электромеханической трансмиссии равен или больше 24, при прочих равных условиях обеспечивает повышенную частоту выходного и питающего напряжений этих электрических машин. Это, в свою очередь, способствует уменьшению пульсаций напряжения на накопителе электрической энергии, а следовательно, уменьшению требуемой величины емкости накопителя энергии, что позволяет применить в накопителе предлагаемой электромеханической трансмиссии пленочные конденсаторы, которые при равных значениях рабочего тока и напряжения обладают более высокой надежностью и меньшими габаритами по сравнению с электролитическими конденсаторами. Указанное исполнение электрических реактивных индукторных машин в совокупности с применением накопителя электрической энергии, содержащего пленочные конденсаторы, будут способствовать уменьшению габаритов и повышению надежности работы предлагаемой электромеханической трансмиссии.

На фиг.1 схематично изображена одна из многих возможных конфигураций предлагаемой электромеханической трансмиссии, которая содержит тепловой двигатель 1, электрическую реактивную индукторную машину 2, кинематически соединенную с тепловым двигателем 1, электронный коммутатор 3, силовые шины 4, к которым коммутатор 3 осуществляет подключение фазных обмоток реактивной индукторной машины 2, электронный коммутатор 5, электрическую реактивную индукторную машину 6, подключение фазных обмоток которой к силовым шинам 4 осуществляет электронный коммутатор 5, тяговое устройство 7, с которым кинематически соединена реактивная индукторная машина 6, накопитель электрической энергии 8, который подключен к силовым шинам 4, блок управления 9, датчики положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, причем датчики положения ротора 10 и 11 подключены к блоку управления 9.

На фиг.2 схематично изображена электрическая реактивная индукторная машина, содержащая безобмоточный ротор 12, на валу 13 которого закреплен зубчатый магнитопровод 14, статор 15 с полюсами 16 и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек 17, размещенных на полюсах 16 статора 15.

Предлагаемая электромеханическая трансмиссия в тяговом режиме работает следующим образом.

При вращении выходного вала теплового двигателя 1 блок управления 9 в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков положения ротора 10 и 11 электрических реактивных индукторных машин 2 и 6, вырабатывает сигналы управления и подает их на электронные коммутаторы 3 и 5. В соответствии с сигналами управления, поступающими от блока управления 9, электронные коммутаторы 3 и 5 подключают к силовым шинам 4 фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин 2 и 6 таким образом, что электрическая реактивная индукторная машина 2 через коммутатор 3 и силовые шины 4 потребляет необходимую для возбуждения электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, затем преобразует вращательную механическую энергию теплового двигателя 1 в электрическую энергию, которая через электронный коммутатор 3 и силовые шины 4 поступает обратно в накопитель электрической энергии 8, накопитель электрической энергии 8 поддерживает на силовых шинах 4 уровень напряжения, необходимый для передачи электрической энергии между электрическими реактивными индукторными машинами 2 и 6, электрическая реактивная индукторная машина 6 через электронный коммутатор 5 и силовые шины 4 потребляет электрическую энергию от накопителя электрической энергии 8, преобразует ее во вращательную механическую энергию и передает вращающий момент на тяговое устройство 7. Блок управления обеспечивает регулирование тягового усилия предлагаемой электромеханической трансмиссии в широком диапазоне значений.

1. Электромеханическая трансмиссия, содержащая как минимум один тепловой двигатель, как минимум одно тяговое устройство, как минимум две электрические машины, как минимум два электронных коммутатора, силовые электрические шины, как минимум один накопитель электрической энергии, блок управления, причем как минимум одна электрическая машина кинематически соединена с как минимум одним тепловым двигателем, как минимум одна электрическая машина кинематически соединена с как минимум одним тяговым устройством, блок управления подключен к электронным коммутаторам, накопитель электрической энергии подключен к силовым шинам, отличающаяся тем, что в качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, каждая из которых содержит ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на полюсах статора, причем как минимум одна реактивная индукторная машина выполнена таким образом, что результат произведения числа зубцов ротора на число фаз статора машины равен или более 24, а накопитель электрической энергии содержит как минимум один пленочный конденсатор, при этом электронные коммутаторы подключают фазные обмотки электрических реактивных индукторных машин к силовым шинам.

2. Электромеханическая трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что введены датчики положения ротора реактивных индукторных машин, которые подключены к блоку управления.

www.findpatent.ru